这种诊断方法一般具有灵敏、简便、安全、无损伤等优点，用途非常广泛，几乎所有组织器官或系统的功能检查，都可应用。最常用的同位素诊断可分为三类。
① 体外脏器显像。有些试剂会有选择性地聚集到人体的某种组织或器官。以发射γ射线的同位素标记这类试剂，将该试剂给患者口服或注射后，利用γ照相机等探测仪器，就可以从体外显示标记试剂在体内分布的情况，了解组织器官的形态和功能。例如硫化Tc胶体经注射进入血液后，能被肝脏的枯氏细胞摄取，探测仪器在体外的记录可显示出肝脏放射性物质的分布，从而可判断肝脏的大小、形态和位置，肝脏是否正常，有无肿块等等。这种检查已成为肝癌诊断的不可缺少的方法。目前脏器显像已广泛用于肝、脑、心、肾、肺等主要组织、器官的形态和功能检查。同位素脏器显像不但反映脏器形态，而且可显示脏器的生化或生理功能。例如，肝闪烁图反映肝细胞吞噬功能、脑闪烁图反映血脑屏障功能、肺扫描则反映肺灌注或通气功能。闪烁照相还能够对某一器官连续摄影，使医生能够对器官功能和病理变化进行动态观察。发射计算机断层仪是体外显像的一种先进工具。用它可灵敏地观察到同位素在人体内任一平面的分布，也可以从许多断层影像重现三维形象。采用适当标记试剂时，连闭上眼睛所引起的脑中一定区域内血流量或葡萄糖代谢的细微变化，都可用此仪器测定出来。它在早期诊断疾病上很有发展前途。
② 脏器功能测定。测定器官功能的同位素方法。例如，测定甲状腺摄I离子的数量和速度，以检查甲状腺功能状态；在注射（碘-131）-邻碘马尿酸后，用探测仪器同时记录两侧肾区放射性起落变化曲线，以检查两侧肾脏血流情况、肾小管分泌功能和输尿管通畅程度；在注Cr标记的红细胞后，测定血中放射性消失的速度，以查出红细胞寿命等。
③ 体外放射分析。用竞争放射分析这种超微量分析技术，可以准确测出血、尿等样品中小于10～10克的激素、药物、毒物等成分。用这种方法测定的具有生物活性的物质已达到数百种。中国曾把这种技术用于妊娠早期检查、献血员肝炎病毒检查、肝癌普查等。另外，还可以通过中子活化分析测出头发、指甲、血、尿等样品中的各种微量元素，用来诊断微量元素异常所引起的一些疾病。核射线有杀伤细胞的能力。用放射性碘治疗甲状腺功能亢进，是内服同位素疗法中最成功的例子。I的β射线可有效地将甲状腺组织破坏，等于进行了一次“无刀手术”P常用于治疗真性红细胞增多症。还可采用放射性磷、锶等同位素敷贴疗法治疗血管瘤、湿疹、角膜炎症等浅表部位的皮肤病和眼科疾病。此外，钴治疗机、电子感应加速器、直线加速器等外照射治疗已成为治疗恶性肿瘤的重要手段，在癌症治疗中所占的比重高达70%左右，而且遍及癌症的绝大部分病种。
几乎所有新药，在试用于临床之前，都要用同位素加以标记，以研究药物代谢的各种问题：
①药物在胃肠道或注射部位的吸收；
②药物排出的途径及速度；
③药物在体内的转变，包括代谢产物的数目、性质和排出率；
④药物及其代谢产物在器官中或亚细胞结构内的浓集和穿透情况；
⑤确定药物的“活性”代谢产物，并评价其药理作用。例如，可以用小动物整体切片的放射自显影技术，观察标记药物在整个动物的各个组织器官中的定位和时相变化。
大Co源的γ射线， 或电子直线加速器的高能电子束，都有杀死微生物的效应，都可用于辐射消毒。辐射消毒无须加热，故又称为“冷消毒”。许多不耐热的药品，如抗菌素、激素、酶制剂、抗凝剂、血浆、维生素、固醇类、咖啡因、吗啡、一些眼药膏等，最好用辐射消毒。另一种方法是将短半衰期的放射性同位素加到针剂中，进行内部照射，以达到消毒的目的。